تعتمد جودة صورة كاميرا الفيديو بشكل كبير على المستشعر الحساس للضوء (المصفوفة) المستخدم فيه. بعد كل شيء ، ضع على الأقل أفضل معالج لرقمنة الفيديو - إذا تم تلقي صورة سيئة على المصفوفة ، فلن تصبح جيدة. سأحاول أن أشرح بشكل عام ما يجب الانتباه إليه في خصائص مستشعر كاميرا CCTV ، حتى لا تكون مؤلمة للغاية عند النظر إلى الصورة ...
نوع المصفوفةعلى الإنترنت ، ستجد بالتأكيد معلومات تفيد أن المصفوفات الحساسة للضوء CCD (CCD ، الجهاز المقترن بالشحن) و CMOS (CMOS ، المضافات المعدنية وأشباه الموصلات) تستخدم في كاميرات المراقبة بالفيديو. لا عليك! لفترة طويلة كان هناك CMOS فقط ، فقط المتشددين.
مصفوفات CCD ، بكل مزاياها (حساسية ضوئية أفضل واستنساخ لوني ، مستوى ضوضاء أقل) - لا تستخدم عمليا في المراقبة بالفيديو. لأن مبدأ عملهم لمصفوفات CCD - قراءة الشحنة المتسلسلة عبر الخلايا - بطيء للغاية بحيث لا يلبي متطلبات كاميرات الفيديو الحديثة عالية الدقة. حسنًا ، والأهم من ذلك ، أن CCD أكثر تكلفة في التصنيع ، وفي ظل ظروف بيئة تنافسية للغاية ، فإن كل قرش من الربح مهم. لهذا السبب ركز جميع الشركات المصنعة الرئيسية على مسألة مصفوفات CMOS.
بالمناسبة ، لم يتبق الكثير من الشركات المصنعة. أكبر الشركات ، اعتبارًا من بداية عام 2017 ، هي الشركات: ON Semiconductor Corporation (التي استحوذت في وقت من الأوقات على شركة الملف الشخصي المعروفة Aptina) و Omnivision Technologies Inc. و Samsung Electronics و Sony Corporation. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنتاج مصفوفات للاحتياجات الخاصة ، على سبيل المثال ، بواسطة Canon ، Hikvision.
تجري المنافسة على العلامات التجارية القديمة من قبل صانعي الرقائق الصينيين الشباب والمتحمسين والمالين من الدرجة الثانية ، مثل SOI (Silicon Optronics، Inc.) وغيرها. ومن الصعب القول ما إذا كان نمو الشباب سيبقى عندما يصبح سوق أجهزة الاستشعار CMOS مشبعًا ويصبح مزدحمًا جدًا . ولكن على أي حال ، لا يتم استبعاد ظهور لاعبين جدد وتفاقم النضال في هذا الجزء ، لأنه ليس من الصعب جدًا إعداد أجهزة استشعار CMOS وفقًا للمعايير الحديثة.
عادة ما تفضل العلامات التجارية العالمية الكبرى مثل
Hikvision أو
Dahua العمل مع مصنعي المصفوفات من الدرجة الأولى أو خاصة بهم. يتصرف المحليون بشكل مختلف. على سبيل المثال ،
يستخدم Tecsar حتى في الكاميرات منخفضة التكلفة مصفوفات ذات سمعة جيدة من ON Semiconductor و Omnivision و Sony. في مجموعة من العلامات التجارية "الشعبية" الأخرى ، على سبيل المثال
بيرجر ، وأجهزة استشعار SOI ، وما إلى ذلك ممثلة على نطاق واسع.
كيف تتم مصفوفات الكاميرا الرقميةقيادة CMOSتوفر تقنية CMOS وضع المكونات الإلكترونية (المكثفات والترانزستورات) مباشرة في كل بكسل من المصفوفة الحساسة للضوء.
هيكل بكسل ومصفوفة CMOS
هذا يقلل من المساحة الصالحة للعنصر الحساس للضوء ويقلل من الحساسية ، بالإضافة إلى أن العناصر النشطة تزيد من مستوى الضوضاء الداخلية للمصفوفة. لكن التكنولوجيا تسمح لك بتحويل شحنة العنصر الحساس للضوء إلى إشارة كهربائية مباشرة في المصفوفة وأسرع بكثير لتوليد إشارة صورة رقمية ، وهي مهمة لكاميرات الفيديو. هذا هو السبب في أن CMOS مناسب بشكل أفضل لكاميرات CCTV حيث يلزم تغيير الإطار بسرعة.
مبدأ تشغيل مصفوفات CCD و CMOSبالإضافة إلى ذلك ، فإن القدرة على قراءة خلايا مصفوفة CMOS بشكل عشوائي يجعل من الممكن حرفياً "على الطاير" تغيير جودة ومعدل البت للفيديو المستلم ، وهو أمر مستحيل بالنسبة لاتفاقية مكافحة التصحر. واستهلاك الطاقة من حلول CMOS أقل ، وهو أمر مهم أيضًا لكاميرات المراقبة المدمجة.
يجب ألا يكون هناك لونللحصول على صورة ملونة ، تقوم المصفوفة بتحليل التدفق الضوئي إلى الألوان المكونة لها: الأحمر والأخضر والأزرق. لهذا ، يتم استخدام المرشحات المناسبة. يختلف المصنعون المختلفون في موضع وعدد العناصر الحساسة للضوء بألوان مختلفة ، لكن جوهر هذا لا يتغير.
مبدأ تكوين الصورة على مصفوفة حساسة للضوء:
ف - عنصر حساس
ت- المكونات الإلكترونية
كيف يتم ترتيب مستشعر CMOS للكاميرا ، ويمكن أيضًا عرض الأعمال على هذا الفيديو من Canon:
تعتمد مصفوفات CMOS لجميع الشركات المصنعة على المبادئ العامة الموضحة أعلاه ، وتختلف فقط في تفاصيل التنفيذ على السيليكون. على سبيل المثال ، في محاولة لتحقيق تكلفة منخفضة وربح فائق ، يحاول صانعو الرقائق إنتاج مصفوفات صغيرة قدر الإمكان. استرداد هذا أمر لا مفر منه ...
لماذا كبير جيدعادة ما يتم قياس حجم (أو بعبارة أخرى تنسيق) المصفوفة قطريًا بالبوصة ويتم الإشارة إليه في شكل كسور ، على سبيل المثال 1/4 "، 1/3" ، 2/3 "، 1/2 بوصة ، إلخ.
القاعدة الأولى لاختيار أفضل مصفوفة بسيطة للغاية: مع نفس عدد وحدات البكسل (الدقة) ، كلما زادت الأبعاد المادية للمستشعر ، كان ذلك أفضل. تحتوي المصفوفة الأكبر على وحدات بكسل أكبر ، مما يعني أنها تلتقط المزيد من الضوء. تكون وحدات البكسل في المصفوفة الأكبر أقل تباعدًا ، مما يعني تداخلًا أقل ومستوى أقل من الضوضاء الزائفة ، مما يؤثر بشكل مباشر على جودة الصورة الناتجة. وأخيرًا ، تسمح لك مصفوفة أكبر بالحصول على زوايا مشاهدة كبيرة عند استخدام عدسة بنفس الطول البؤري!
على حساس أشباه الموصلات حساس للكاميرات الدوائر التلفزيونية المغلقة
جهاز استشعار حساس للضوء مثبت على لوحة كاميرا الفيديوللأسف ، لا يتم استخدام المصفوفات كبيرة الحجم في كاميرات المراقبة الجماعية عمليًا نظرًا لارتفاع تكلفة المصفوفات نفسها ، والعدسات الخاصة بها ، والتي يجب أن تحتوي على عدسات أكبر ، وبالتالي الأبعاد والتكلفة. اليوم ، يتم تثبيت الكاميرات بشكل رئيسي بحجم مصفوفة 1/2 "- 1/4" (هذه هي أصغر). عند اختيار الكاميرا ، يجب أن تفهم بوضوح أن شراء طراز منخفض التكلفة للغاية مع مصفوفة SOI مقاس 1/4 بوصة وعدسة صغيرة ذات عدسات بلاستيكية ذات شفافية مشكوك فيها ، لا يمكنك إنشاء نظام مراقبة فيديو بجودة مقبولة ، حيث سيكون من الممكن التمييز بوضوح بين التفاصيل الصغيرة للأحداث التي تم التقاطها ، خاصة عند التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة.
إن اختيار كاميرا بحجم كاميرا سوني 1 / 2.8 "بشكل مسبق سيعطيك نتيجة أفضل بكثير في جودة الفيديو ، ويمكن استخدام كاميرا بمثل هذه المصفوفة بالفعل في نظام مراقبة فيديو احترافي. وستكون حساسية مثل هذه الكاميرا أعلى بشكل واضح ، مما سيسمح بتصوير أفضل في انخفاض الإضاءة: في الطقس السيئ ، عند الغسق ، في غرفة مظلمة ، وما إلى ذلك. مع زيادة الدقة بنفس حجم المصفوفة ، تقل الحساسية للضوء ، ويجب أيضًا أخذ ذلك في الاعتبار عند الاختيار. بالنسبة للكاميرا المثبتة في جذر مظلم روتن في الباب الخلفي ، من المنطقي اختيار مصفوفة ذات دقة أقل وحساسية أعلى من كاميرا عالية الدقة للغاية مع مصفوفة منخفضة الحساسية لا يمكن تمييز أي شيء بوضوح بسبب الضوضاء.
حساسية للضوءتحدد حساسية المصفوفة إمكانية تشغيلها في ظروف الإضاءة المحيطة الضعيفة. من وجهة نظر الفيزياء ، يبدو هذا مبتذلاً تمامًا: فكلما قلّت الطاقة الضوئية الكافية للحصول على صورة عن طريق مصفوفة ، زادت حساسيتها للضوء. لكن! سنكون صادقين ، لا يستحق الأمر متابعة حساسية عالية. والحقيقة هي أن كاميرات CCTV الحديثة تتحول بأمان إلى أوضاع النهار / الليل ، مع انخفاض في الإضاءة ، وترجمة المصفوفة إلى صورة بالأبيض والأسود مع حساسية أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإدراج التلقائي لإضاءة الأشعة تحت الحمراء يمنح الكاميرات القدرة على التصوير بشكل مثالي حتى في الظلام الدامس. على سبيل المثال ، في غرفة مغلقة بدون نوافذ ومع إطفاء الأنوار ، عندما لا توجد حتى كلمة حول مستوى نوع من الإضاءة الخارجية. لا تزال الحساسية للضوء حاسمة بالنسبة للكاميرات التي تفتقر إلى إضاءة الأشعة تحت الحمراء ، ولكن استخدامها في المراقبة بالفيديو الحديثة يكاد يكون فكرة سيئة. على الرغم من أن نماذج الجسم بدون إضاءة خلفية لا تزال للبيع ، بالطبع.
مقارنة المصفوفات من مختلف الصانعينبشكل عام ، القاعدة هي هذه: كلما زادت الإضاءة ، كانت المصفوفة أفضل ، وبالتالي ، ستأخذ الكاميرا. لذلك ، لا يُنصح بوضع الكاميرات في الزوايا الداكنة والشقوق ، حتى إذا كانت لديهم حساسية جيدة. ضع في اعتبارك أن مواصفات مصفوفات الكاميرا تشير عادةً إلى الحد الأدنى من مستوى الإضاءة عندما يمكنك التقاط بعض الصور على الأقل. ولكن لا أحد يعد بأن هذه الصورة ستكون على الأقل ذات جودة مقبولة! سيكون مقرفًا في 100 ٪ من الحالات ، بالكاد يمكن تفكيكه عليه. لتحقيق نتيجة مرضية على الأقل ، يوصى بالتقاط ما لا يقل عن 10-20 مرة عند الإضاءة من الحد الأدنى المقبول للمصفوفة.
توصل المصنعون إلى عدد من الحلول التقنية لتحسين حساسية مصفوفات CMOS وتقليل فقدان الضوء أثناء التقاط الصورة. لهذا ، يتم استخدام مبدأ واحد بشكل أساسي: لإبراز العنصر الحساس للضوء أقرب ما يمكن إلى الميكرولونات في المصفوفة التي تجمع الضوء. طرحت سوني تقنية Exmor لأول مرة ، مما قلل مسار الضوء من خلال المصفوفة:
بعد ذلك ، تحول المصنعون التقدميون معًا إلى استخدام المصفوفات ذات الإضاءة الخلفية ، والتي لا تسمح فقط بتقصير مسار الضوء من خلال المصفوفة ، ولكن أيضًا لجعل المنطقة المفيدة للطبقة الحساسة للضوء أكبر عن طريق وضعها فوق العناصر الإلكترونية الأخرى في الخلية:
توفر تقنية الإضاءة الخلفية للكاميرا أقصى حساسية. ومن هنا الاستنتاج - "ceteris paribus" من الأفضل شراء كاميرا باستخدام مصفوفة ذات إضاءة خلفية من دونها.
لتحسين الصورة في ظروف الإضاءة المنخفضة لمصفوفات منخفضة التكلفة منخفضة الحساسية ، يمكن لمصنعي الكاميرات استخدام الحيل المختلفة. على سبيل المثال ، وضع "الغالق البطيء" ، أو ببساطة أكثر ، وضع سرعة الغالق البطيء. ومع ذلك ، فإن "تلطيخ" ملامح الأجسام المتحركة الموجودة بالفعل في مرحلة إصلاح الصورة بواسطة المصفوفة في هذا الوضع لا يسمح لنا بالتحدث عن القليل من تصوير الفيديو عالي الجودة ، وبالتالي فإن هذا النهج غير مقبول تمامًا في المراقبة بالفيديو الأمني ، حيث تكون التفاصيل مهمة.
كان الاختراق المؤكد في جودة الصورة هو ظهور تقنية Starlight ، التي تم تقديمها لأول مرة في كاميرات Bosch في عام 2012. بفضل هذه التقنية ، التي تجمع بين الحساسية الضوئية الضخمة للمصفوفة (بترتيب 0.0001 - 0.001 لوكس) وتقنية الحد من الضوضاء الفعالة للغاية ، جعلت من الممكن الحصول على صور ملونة عالية الجودة من كاميرات الفيديو في ظروف الإضاءة المنخفضة وحتى في الليل.
في حين أن الطريقة التقليدية للتغلب على الإضاءة المنخفضة - باستخدام إضاءة الأشعة تحت الحمراء - تجعل من الممكن الحصول على صورة واضحة فقط في الوضع أحادي اللون (ظلال الرمادي) ، تسمح لك الكاميرات المزودة بتقنية Starlight بالحصول على صورة ملونة بها المزيد من المعلومات. على وجه الخصوص ، في الإضاءة الخافتة ، يمكن لنظام CCTV مع تقنية Starlight التمييز بسهولة بين ألوان السيارات والملابس والعلامات المهمة الأخرى.
فيما يلي عرض توضيحي لتقنية Starlight قيد التنفيذ:
الملخصعند اختيار كاميرا مراقبة ، تأكد من الانتباه إلى خصائص المصفوفة ، وليس فقط دقتها. في الواقع ، تعتمد جودة الصورة ، وبالتالي فائدة الكاميرا إلى حد كبير على هذا. بادئ ذي بدء ، يجب الانتباه إلى علامة تجارية موثوقة وحجم المصفوفة ودقتها ، والحساسية الضوئية مهمة فقط للكاميرات التي تفتقر إلى إضاءة الأشعة تحت الحمراء.
أوصي بشدة بأخذ كاميرا تحتوي على مصفوفة يمكنك من خلالها العثور على ورقة بيانات ذات معلومات دقيقة ، بدلاً من شراء خنزير في كزة. على سبيل المثال ، يمكنك بسهولة العثور على مواصفات لمصفوفات ON Semiconductor أو Omnivision أو Sony. ولكن لا يمكن العثور على خصائص أكثر أو أقل تفصيلا لمصفوفات SOI في فترة ما بعد الظهر باستخدام مصباح. هناك شك في أن الشركة المصنعة لديها ما تخفيه ...
ولكن النتيجة الإجمالية هي ما يلي: مصفوفات CMOS التي تم ربحها دون قيد أو شرط في أجهزة المراقبة بالفيديو وفي المستقبل القريب لن تتخلى عن أي تقنية منافسة.